Колонизация отменяется: почему терраформирование невозможно на Марсе

Собрать весь углекислый газ и закачать его в атмосферу

Человечество хочет полететь на Марс. И у нас есть отличный план. Ракета с людьми. База на Луне. Итак — больше ракет и больше людей. Начать производство топлива на поверхности планеты и, возможно, где-нибудь по пути создать месторождение. Аванпост станет базой, а затем превратится в город с куполом. Следующий шаг: терраформирование.

Оживите мертвый Марс, создайте новую атмосферу из того, что осталось в его замороженном углекислом газе, увеличьте давление воздуха, надейтесь на потепление с помощью парниковых газов (вы знаете, как они влияют на изменение климата?). Сделайте это место настолько горячим, что замороженная вода, застрявшая под землей, тает и превращается в реки. Мировой океан! Воздух! Что мы можем дышать. По крайней мере, достаточно не носить скафандр. И — бум! Правда, этого бума придется ждать более-менее 10 тысяч лет! Мы столкнемся с гравитацией, мы сможем перемещаться в марсианской колонии, как нам обещают в фантастической литературе.

Это не безумие. В 1971 году астроном Карл Саган, динозавр науки, предложил «планетарную инженерию» путем плавления водяного пара из полярных льдов Марса для создания «гораздо более благоприятных условий». 20 лет спустя астробиолог Кристофер Маккей усовершенствовал эту идею, предположив, что терраформирование Марса возможно, если на планете все еще будет достаточно углекислого газа, воды и азота, чтобы закачать их в атмосферу.

Основные задачи

Перед началом первой экспедиции на Красную планету человечество должно тщательно подготовиться: изучить местность, способы выживания и так далее. Основные задачи по созданию колонии на Марсе следующие:

Создание атмосферы

Как известно, людям нужен кислород на протяжении всей жизни. Сначала, естественно, он будет производиться искусственно и только в жилых модулях. Однако в конечном итоге его нужно синтезировать по всей планете. Для этого можно использовать следующие методы:

• Он приносит на планету водоросли, планктон и другие организмы, способные к фотосинтезу.
• Прибегать к ионизации углекислого газа в атмосфере Марса.
• Электролиз углекислого газа.
• Сбросьте атомные бомбы на поверхность Марса, чтобы создать более плотную атмосферу. А после этого превращение в кислородсодержащую оболочку.

Гигантские солнечные зайчики

Идея зеркал не нова: ученые и инженеры обсуждают этот метод терраформирования не менее 40 лет. Его главное преимущество в том, что в нем нет необходимости вырабатывать необходимую энергию — солнце будет выступать в качестве источника. Одни предлагали нагревать только полярные ледяные шапки, другие — всю планету.

Чтобы осветить поверхность планеты всего на 30% лучше, чем сейчас, потребуется колоссальная группировка спутников. В сборнике «Марс. Энергия и материальные ресурсы будущего» шотландец Колин Макиннес подсчитал, что по этой причине общая площадь отражателей должна быть равна площади Антарктиды. Для поселенцев спутники будут выглядеть как серия слабо ярких жемчужин, которые поднимаются с горизонта и загораются после захода солнца, а затем снова исчезают.

Несмотря на размер, масса отражателей может быть относительно небольшой — около двух пирамид Хеопса. Для этого толщина отражающей пленки должна быть всего 0,1 нм, лишь немного больше, чем ядро ​​атома железа. В лаборатории получилась такая тонкая фольга, но для обогрева Марса ее придется производить в космосе: более 11 миллионов тонн груза с Земли пока невозможно перевезти. Сырьем может служить астероид радиусом 70-90 м. Правда, первые образцы грунта с астероидов люди еще не доставили, а переработка полезных ископаемых — это только далекие и туманные плоскости.

Но даже если на орбите Марса будет развернута группировка спутников и отражатели будут работать по расчетам, температура на поверхности немного повысится — в среднем до -45 ° C без учета парникового эффекта. На Земле углекислый газ, метан, водяной пар и другие газы повышают температуру на 33 ° C (и наши усилия увеличивают разницу), но на Марсе, даже с растаявшим полярным льдом, атмосфера не будет удерживать столько тепла — теперь он обеспечивает еще 6 ° C.

Прогреть Марс в целом было бы здорово, но гораздо проще ограничиться территорией, на которой будут жить люди. Подходящий план был составлен инженером Райджелом Войдом из Университета Аризоны, а в 2006 году НАСА даже присудило ему за это денежную премию. Войда предложил терраформировать 1,5 кв. Км По его расчетам, чтобы получить такое же количество света, как на Земле, необходимо послать 200-300 спутников со 150-метровыми зеркалами. Задача эта тоже непростая, но все же проще, чем расплавить огромный космический камешек. Но в колонии, как показывают модели, температура поднимется выше нуля.

Моделирование марсианской экспедиции в пустыне Негев, Израиль

Углерод есть, но его катастрофически мало

Но несколько марсианских ученых разрушают эту герметично запечатанную иллюзию «внеземного» счастья. Если этот последний анализ верен, условия на Марсе не позволяют существующим технологиям превратить его в сад земных наслаждений.

«Это первый раз, когда нам удалось собрать достаточно CO2 на Марсе», — говорит Брюс Якоски, исследователь из Университета Колорадо и соавтор новой статьи с Кристофером Эдвардсом из северной Аризоны. «Большая часть углерода была потеряна в космосе, а небольшое количество осталось в полярном льду и небольших углеродистых минералах. Количество углерода, остающегося в глубоких карбонатах, неизвестно».

Даже добавление СО2, прикрепленного к камням, «адсорбируемого» на их поверхности, а также из клеток молекул воды, называемых клатратами, не спасет положение.

«Даже если вы поместите все это в атмосферу, этого будет недостаточно, чтобы согреть планету», — говорит Якоски.

Атмосферное давление на земной поверхности составляет около 1 бара. На Марсе потребуется определенное количество СО2, чтобы температура поверхности начала оттаивать. Даже 250 мбар существенно изменит климат. И в какой-то момент в прошлом Марс имел другую геологию и морфологию поверхности. Многие факторы свидетельствуют о существовании жидкой воды на поверхности планеты в прошлом. Это означает, что Марс был достаточно горячим и находился под давлением, достаточным для хранения этой жидкой воды. Если бы Красная планета содержала CO2 в тех же пропорциях, что и Земля и Венера, отмечает Якоски, углеродный эквивалент в 20 бар был бы минерализован, как карбонат, замороженный в полярном льду. И сейчас этого было бы достаточно.

«За последние 40 лет исследования Марса научное сообщество искало карбонатные месторождения, которые, по логике, должны существовать, потому что СО2 должен был куда-то уходить», — добавляет ученый. — Если бы отложения были внутри корки, их можно было бы использовать. Но поднимаясь на поверхность, углерод полностью исчезает с планеты».

Теперь мы можем дышать кислородом, созданным на Марсе?

Не совсем. Дело в том, что MOXIE — это экспериментальный прототип размером с тостер, встроенный в Perseverance, а не полноценную автономную систему. В частности, это устройство не сможет производить достаточно кислорода для длительной миссии: для одного года работы на поверхности Марса четырем астронавтам потребуется около 1 тонны кислорода, и при первом посещении MOXIE также произвела по данным НАСА, довольно скромная масса — около 5 г, чего хватит на 10 минут дыхания одного человека. Но нынешний прототип не рассчитан на большие объемы, основная цель ученых — посмотреть, справится ли он с основным техническим заданием, а именно производить не менее десяти раз около 6 г кислорода с чистотой 98% в час.

Первый запуск прошел довольно успешно, но MOXIE ждут другие проблемы. Поскольку в будущем вся система должна будет работать при любой погоде на Марсе, следующие девять циклов испытаний MOXIE будут проходить в разное время суток, в разных температурных условиях и, если возможно, также во время пыльных бурь, которые могут быть очень опасными. Не только для будущих астронавтов, но и для роботов: в 2019 году из-за гигантского шторма марсоход Opportunity прекратил связь, и НАСА было вынуждено завершить миссию.

Что это даст космическим экспедициям?

Фактически, это конкретная возможность не только отправить, но и заставить астронавтов вернуться домой с Марса. Конечно, сам экипаж нуждается в кислороде, но научный руководитель проекта MOXIE Майкл Хэтч считает это просто приятным бонусом, а главная цель — обеспечить ракету достаточным количеством кислорода для запуска с поверхности планеты. Космическому кораблю потребуется около 25 тонн кислорода для сжигания топлива во время запуска. Перевозить такой объем с Земли на Марс очень дорого и опасно.

Таким образом, успех маленького МОКСИ показал ученым самое главное: технология работает, а это значит, что пилотируемая экспедиция НАСА на Марс к 2030 году становится все более реальной. Разработка нового прототипа уже ведется, и в ближайшем будущем обновленный MOXIE будет почти как сам Perseverance — он будет весить около 1 тонны, что немного больше домашней плиты, а устройство уже будет производить тонны кислорода.

Еще одно важное последствие успеха MOXIE — переход к более совершенным системам использования и переработки местных ресурсов. В будущем такие устройства смогут производить не только кислород из внеземных продуктов, но и, например, питьевую воду, строительные материалы, ракетное топливо, средства гигиены и даже создавать условия для выращивания растений. Это означает, что люди на других планетах не будут зависеть от ресурсов Земли, но смогут получить все необходимое самостоятельно на других планетах, что имеет решающее значение для долгосрочных космических миссий. НАСА планирует продемонстрировать и протестировать такие технологии перед экспедицией на Марс во время миссии Artemis на Луну в 2024 году — в рамках инициативы Lunar Surface Innovation Initiative, оно планирует создавать продукты с использованием лунных материалов — например, путем преобразования льда на поверхности Земли. Луна в питьевую воду.

Рассматриваемые методы колонизации Марса

В последние несколько десятилетий было много предложений о том, как создать колонии на Марсе. В 1964 году Дэндридж Коул выступил за активацию парникового эффекта — доставку аммиачного льда на поверхность планеты. Это мощный парниковый газ, поэтому он должен сгущать атмосферу и повышать температуру Красной планеты.

Ученые смогли определить скорость потери воды, измерив соотношение воды в текущем состоянии к моделям 4,3 миллиарда лет назад

Другой вариант — уменьшить альбедо, когда поверхность Марса покрыта темным материалом, чтобы уменьшить поглощение звездных лучей. Эту идею поддержал Карл Саган. В 1973 году он даже предложил два сценария для этого: доставка низколегированного материала и посадка темных растений на полярных территориях для таяния ледяных щитов.

В 1982 году Кристофер Маккей написал статью о концепции саморегулирующейся марсианской биосферы. В 1984 г. Д. Лавлок и М. Албаби предложили импортировать хлорфторуглероды для глобального потепления.

Художественная интерпретация возможных растений, обогревающих Красную планету

В 1993 году Роберт Зубрин и Кристофер Маккей предложили разместить на орбите зеркала, которые увеличили бы потепление. Если поставить рядом с полюсами, запасы льда могут растаять. Они также проголосовали за использование астероидов, которые при ударе согревают атмосферу.

В 2001 году было предложено использовать в качестве парникового газа фтор, который в 1000 раз эффективнее CO2. Кроме того, эти материалы можно добывать на Красной планете, а это значит, что вы можете обойтись без земных запасов. На изображении ниже показана концентрация метана на Марсе.

Исследователи НАСА заметили колебания концентрации метана в атмосфере. Это говорит о том, что он все время пребывает и угасает

также предлагалось подавать метан и другие углеводороды из внешней системы. На Титане их много. Есть идеи создания закрытых биокумов, в которых будут использоваться цианобактерии и кислородсодержащие водоросли, посаженные в марсианской почве. В 2014 году были проведены первые испытания, и ученые продолжают разработку концепции. Такие конструкции способны создавать определенные запасы кислорода.

Процесс «марсианского озеленения» предполагает ввоз газов и земных организмов для планетарных преобразований

Гигантские орбитальные зеркала

Заполняя окружающую среду Марса достаточной концентрацией O2, также необходимо сделать ее теплее. Как упоминалось ранее, со средней температурой -63 ° C слишком холодно на красной и холодной планете. Исследователи НАСА в 1993 году предложили способ нагреть Марс. Они предложили построить гигантские орбитальные зеркала, отражающие солнечный свет на поверхность. Идея заключалась в том, чтобы перенаправить солнечный свет путем стратегического размещения гигантских вращающихся зеркал на Марсе и вокруг него. Думайте об этом методе как о больших зеркалах, которые Архимед использовал для уничтожения вражеских кораблей с помощью тепла солнечного света. По оценкам исследователей, с помощью этой стратегии замороженная вода (лед) на планете также будет таять, что даст нам воду, еще один важный элемент (воду) для нашего выживания на чужой планете.

Парниковые газы

Еще один способ согреть планету — использовать парниковые газы. Да, те печально известные газы, которые вызывают глобальное потепление на нашей планете. Понимаете, ключевое слово здесь — «отопление». Парниковые газы по своей природе отлично удерживают тепло в атмосфере и тем самым повышают температуру. А на Марсе это именно то, что мы хотим. Другими словами, наш злодей на Земле может стать нашим героем на Марсе! Эксперты предполагают, что парниковые газы сгущают марсианскую атмосферу, повышают температуру поверхности, а также защищают планету от избыточного космического излучения.

Атомная бомба на полюсах

Полюса Марса, как и Земля, покрыты толстым слоем льда. Многие эксперты, в том числе основатель SpaceX Илон Маск, утверждают, что ядерная бомбардировка полюсов Марса приведет к выбросу значительного количества CO2, который в настоящее время находится в атмосфере, а также сублимирует лед в воду.

Марсианский грунт

Еще одним хорошим источником для производства СО2 может быть марсианская почва, богатая углеродом, но ее трудно извлечь. Богатый углеродом минерал на поверхности Марса должен быть нагрет до нескольких тысяч градусов, прежде чем высвободить CO2.

Поверхность Марса составляет около 144 миллионов квадратных километров, поэтому нам потребуются миллиарды тонн газа, чтобы полностью покрыть Марс. Энергия, необходимая для этого, была бы почти невероятной. Это означало бы строительство и эксплуатацию гигантских атомных электростанций на Марсе в течение нескольких десятилетий, чтобы заполнить Марс парниковыми газами, достаточными для нагрева его поверхности.

Аэрогель

Еще один элемент, который может играть важную роль в сохранении тепла на Марсе, — это аэрогель. Аэрогель — один из самых легких материалов, известных человеку. Аэрогель — это твердое вещество сверхнизкой плотности, на 99% состоящее из воздуха! Это также хороший изолятор, поэтому он используется в текущей миссии НАСА.

Гарвардский исследователь Робин Вордсворт в недавно опубликованной статье продемонстрировал, как аэрогели можно использовать на Марсе. Вордсворт зажег лампу, чтобы имитировать марсианский солнечный свет, падающий на аэрогель.

Исследователь из Гарварда Робин Вордсворт в недавно опубликованной статье продемонстрировал, как аэрогели можно использовать на Марсе. Вордсворт зажег лампу, имитирующую марсианский солнечный свет, падающий на аэрогель. Таким образом, ему удалось сохранить поверхность под аэрогелем в тепле до 65 ° C. Он утверждает, что этот тип покрытия из аэрогеля поможет удерживать тепло в атмосфере Марса.

К сожалению, аэрогель не идеален. Он довольно хрупкий, и его будет чрезвычайно сложно производить в больших количествах.

Кометы

Да, есть еще один, казалось бы, жестокий способ терраформировать Марс… грядущие кометы!

Кометы — богатый источник азота, кислорода и водорода, строительных блоков, необходимых для атмосферы Земли. Если бы мы смогли найти способ перенаправить кометы и разбить их о поверхность Марса, в атмосферу Марса попало бы большое количество азота и кислорода.

Однако некоторые специалисты предупреждают об опасности этого. Они утверждают, что бомбардировка Марса кометами будет разрушительной. Это уничтожит все доказательства существования жизни, которые мы не обнаружили, и уничтожит первобытные геологические данные Солнечной системы, которые мы больше не можем найти на Земле.

Марс постоянно купается в радиации

Но это все еще цветы. Магнитное поле Марса настолько слабое, что не может защитить марсианскую атмосферу от солнечного ветра. И поэтому он постоянно исчезает в космосе. Это также означает, что смертельные ультрафиолетовые лучи эффективно стерилизуют поверхность планеты. Более плотная атмосфера мало помогает в решении этой проблемы. Об этом свидетельствует тот факт, что даже на Земле солнечные лучи могут обжечь кожу. И даже вызвать рак. В таких условиях погибнут даже те бактерии, которые спокойно выживают в бассейнах, охлаждающих ядерные реакторы.

Другими словами, Марс — очень враждебное место. Что будет очень трудно сделать пригодным для жизни. Могущественные силы природы будут активно бороться со всеми нашими усилиями в этом направлении. Да, мы могли бы пополнить запасы воздуха и изобрести новые способы создания магнитосферы из всего, что есть в нашем распоряжении, от вращающихся магнитов до огромных генераторов магнитных полей, разбросанных по всей планете. Однако это сделало бы терраформирование активным и непрерывным процессом. И не как отдельный, замкнутый мегапроект. Вы представляете, сколько ресурсов потребуется для его реализации? Возникает вопрос: а мы хотим это сделать?

Почему Марс является хорошим выбором для терраформирования?

Из восьми основных планет нашей Солнечной системы Марс кажется лучшим выбором для терраформирования. Почему? Проще говоря, Меркурий и Венера слишком горячие, чтобы выжить космический корабль, не говоря уже о людях. Гигантские планеты — от Юпитера до Нептуна — являются газообразными планетами, а это означает, что у них даже нет твердой почвы, на которую можно наступить! Очевидно, Марс кажется лучшим выбором.

Проблемы, связанные с терраформированием Марса

Однако терраформирование Марса также чревато проблемами. У Марса очень тонкая атмосфера и средняя температура -63 ° C. Кроме того, давление воздуха на Марсе не превышает даже 1% от давления на Земле. В этом случае первая задача, которую нам предстоит решить, — это прогреть планету и повысить атмосферное давление. Мы должны сначала решить эти две проблемы, и только потом мы можем думать о других проблемах, например, как выращивать пищу или как защитить жителей Марса от космического излучения.

Марс не всегда был негостеприимным

На данный момент Марс не кажется очень гостеприимным в жизни, но так было не всегда. Ученые считают, что на Марсе раньше была более плотная атмосфера и жидкая вода. Вода — еще один важный элемент, наряду с пригодным для дыхания воздухом, который нам понадобится для выживания на любой терраформированной планете. К сожалению, плотная атмосфера Марса проецировалась в космос в течение последних миллиардов лет, поэтому присутствующая вода замерзла или испарилась, что сделало планету враждебной для жизни.

Чтобы вернуть планете былую красоту и убедиться, что мы можем дышать и оставаться в сознании на Марсе, нам нужно терраформировать его атмосферу. Атмосфера Земли состоит из 21% кислорода, 78% азота и 1% других газов / элементов. Теперь, хотя нам не нужна эта конкретная смесь для всех газов, нам понадобится очень похожее количество O2.

Последствия терраформирования Марса

Люди, которые терраформируют Марс, будут марсианами. Эти марсиане также адаптируются из поколения в поколение к инопланетной среде. Поскольку гравитация на Марсе намного ниже, марсиане, вероятно, вырастут выше нас. У них может быть новый химический состав крови, так как давление воздуха будет другим. В общем, они, вероятно, отойдут от нас и станут новым видом, когда начнется процесс эволюции. Еще одной темой для обсуждения станет тот факт, что пионеры и исследователи начнут превращаться в марсиан.

Потенциальные преимущества колонизации Марса

Начнем с того, что колонизация Марса — это вызов всему человечеству, которое в очередной раз попытается побывать в совершенно инопланетном мире. Но причина создания человеческой колонии кроется не только в научном увлечении и человеческом эго. Дело в том, что наша планета Земля не бессмертна. Случайный сбой орбитального пути астероида, и мы закончили. А в будущем произойдет расширение Солнца до состояния красного гиганта, который нас поглотит или поджарит. Не будем забывать о рисках глобального потепления, перенаселения и эпидемий. Согласитесь, разумно подготовить собственное отступление.

Кроме того, Марс — выгодный вариант. Это планета земного типа, расположенная в зоне обитания. Ровер и зонды подтвердили наличие воды, а также ее обилие в прошлом.

Проект Nomad по преобразованию Красной планеты

Мы узнали марсианское прошлое. Оказывается, 4 миллиарда лет назад на поверхности была вода, а слой атмосферы был намного плотнее. Но планета потеряла его из-за сильного удара или резкого падения температуры внутри.

К причинам также можно отнести необходимость расширения источников добычи ресурсов. Марс изобилует льдом и минералами. Кроме того, колония станет промежуточным звеном между нами и поясом астероидов.

Насколько мы близки к терраформированию Марса?

Первым шагом в терраформировании Марса будет высадка первого человека (или группы людей) на Марс, точно так же, как мы когда-то высадились на Луне. Однако даже это сложно сделать, не говоря уже о миссии по полному терраформированию планеты. Через много лет, если мы продолжим нашу нынешнюю траекторию, мы сможем это сделать, хотя и в скафандре.

Как только мы прибудем на планету, нашим следующим шагом будет создание первого научного форпоста на планете, который обеспечит некоторый уровень устойчивости к чужеродной планете. Самая большая проблема будет заключаться в том, чтобы расширить присутствие людей от горстки обученных космонавтов до тысяч энтузиастов космоса. Нам, безусловно, понадобятся тысячи людей, чтобы начать настоящую миссию по терраформированию.

Жилье для колонизаторов

Во-первых, вам нужно решить, куда отправятся первые поселенцы. Оптимальной территорией является экватор, поскольку температура на нем максимально приближена к земной. Летом достигает +20 градусов по Цельсию. Также на экваторе есть множество туннелей и кратеров, где можно построить первые поселения колонизаторов. А в некоторых слоях недр образуются целые проходы лавы, где даже можно строить города.

Жилье для колонизаторов

Проблемы колонизации Марса

Несмотря на вышеупомянутые преимущества, есть довольно серьезные проблемы с колонизацией Красной планеты. Во-первых, речь идет о средней температуре поверхности, которая весьма негостеприимна. Хотя температура вокруг экватора может достигать умеренных 20 градусов по Цельсию в полдень, на месте посадки Curiosity — в кратере Гейла, который находится недалеко от экватора — нормальные ночные температуры опускаются до -70 градусов.

Гравитация на Марсе составляет около 40% земной, и адаптироваться к ней будет довольно сложно. Согласно отчету НАСА, воздействие микрогравитации на человеческое тело довольно велико, с ежемесячной потерей мышц до 5% и плотностью костей до 1%.

На поверхности Марса эти потери будут меньше, потому что там присутствует некоторая гравитация. Но постоянные поселенцы столкнутся с долговременными проблемами мышечной дегенерации и остеопороза.

Также существует проблема с атмосферой, которой нельзя дышать. Около 95% атмосферы планеты состоит из углекислого газа, а это означает, что поселенцы не только производят пригодный для дыхания воздух, но и не могут сбежать, не сжимая костюмы и кислородные баллоны.

Марс также не имеет глобального магнитного поля, сопоставимого с геомагнитным полем Земли. В сочетании с тонкой атмосферой это означает, что значительное количество ионизирующего излучения может достичь поверхности Марса.

Благодаря измерениям, проведенным космическим кораблем Mars Odyssey (прибор MARIE), ученые установили, что уровень радиации на орбите Марса в 2,5 раза выше, чем у Международной космической станции. На первый взгляд, этот уровень должен быть ниже, но он все равно остается слишком высоким для будущих поселенцев.

В одной из самых последних статей, представленных группой ученых Массачусетского технологического института, анализирующих план Mars One по колонизации планеты, который начнется в 2020 году, предполагается, что первый астронавт задохнется через 68 дней, а остальные умрут от голода обезвоживание или истощение в богатой кислородом атмосфере.

Короче говоря, проблемы создания постоянного поселения на Марсе остаются многочисленными, но решаемыми.